Link11数据链性能仿真分析

谭志强,徐 军

(1.国防科技大学,长沙 410000;2.解放军 63891部队,洛阳 471003)

0 引 言

Link11(美军称之为TADIL A)于20世纪70年代投入使用,计划服役到2015年。通常所说11号数据链除海基的Link11数据链外,还包括陆基的Link11B数据链,Link11B是一条专用、点对点、全双工的数据链路,主要用于陆基防空和空中控制单元,采用的消息格式与Link11相同,下面主要针对Link11进行分析论述。

Link11是一条保密的网络化数字数据链路,用于舰艇之间、舰岸之间、舰空之间、空岸之间实现战术数字信息交换。该数据链采用M序列报文,报文标准由美国军用标准MIL-STD-6011和北约标准STANAG5511定义,通信标准由美国军用标准MIL-STD-188-203-1A定义。标准传输速率为1 364 bps或2 250 bps。它通常在网络控制站的控制下,以轮询方式进行工作,也可采用广播模式工作。Link11数据链使用HF和UHF频段。当使用HF频段时,能够覆盖信息发送地点周围300 nmile的区域;使用UHF频段时,能够提供舰对舰25 nmile、舰对空150 nmile的覆盖。

1 Link11数据链系统组成

Link11数据链于20世纪70年代投入使用,是一条保密的网络化数字数据链路。通常所说的11号数据链除海基的Link11数据链外,还包括陆基的Link11B数据链,它们分别对应于美军的TADIL-A和TADIL-B。Link11B主要用于陆基防空和空中控制单元,相对海基 Link11来讲 Link11B应用范围较小,本文主要研究对象为海基Link11数据链(以下简称Link11数据链)。Link11数据链主要用于舰艇、舰岸、舰空、空岸之间实现战术数字信息交换。该数据链采用M 序列报文,工作模式包括网络同步(Net Sync)、网络测试(Net Test)、轮询(Roll Call)、广播(Broadcast)、简短广播(Short Broadcast)、无线电静默(Radio Silence)6种,轮询模式为其主要工作模式。Link11数据链使用HF和UHF频段,当使用HF频段时,能够覆盖信息发送地点周围300 nmile的区域;使用UHF频段时,能够提供舰对舰25 nmile、舰对空150 nmile的覆盖。

图1 典型的Link11数据链系统

典型的Link11数据链系统配置如图1所示,由计算机、保密设备、数据终端机(DTS)、HF或 UHF无线电设备组成。数据终端机与无线电设备相连,完成所有与网络操作有关的控制功能。

2 Link11数据链仿真算法分析

2.1 仿真原理

按照Link11数据链通信标准[1]的描述,数据终端是Link11数据链的核心,由它完成Link11音频信号的产生和接收检测,因此Link11物理层算法主要是指Link11数据终端的物理层算法。下面对数据终端的功能进行详细分析。

(1)编码

Link11使用的编码方式是汉明编码,就是在每组信息码元的后面加补一些附加位以达到检错纠错的目的。DTS从TDS计算机接收24位二进制数据,然后加上6位检错纠错数据(EDAC)把24位数据扩展为30位,其值是基于对24位数据字特定组合的奇偶校验,具体的监督关系下:

在Link11系统中,只对数据信息进行汉明编码,起始码、终止码、地址码不进行汉明编码。

(2)调制解调

在Link11系统中,通过对音频信号分成数据帧来标示各个30 bit的数据,在这15个数据音频中每个音频的相移角度传递了这个音频中包含的数字信息,每帧的每个数据频率都有特定的相位。在每帧的边界,每个数据音频的相位根据前一帧进行相移。相移的大小即相位差决定了这2位数据的值,其相位变化服从表1的规律。

表1 相位变化列表

2.2 主要算法

将数据终端的物理层过程进行了模块化分解,如图2和图3所示,其中虚线框内为数据终端的物理层过程。除AD和DA转换2个模块外都需要进行算法设计,下面按照信号从发送到接收的流向,对主要算法模块进行分析。

图2 信号发送流程

图3 信号接收检测流程

(1)信道编码

Link11的战术报文采用(30,24)的汉明编码,编码方案由Link11数据链系统通信标准[1]定义,从中可以推出生成矩阵G24×39。将战术报文信息mn×24通过生成矩阵G即得到n帧30 bit的并行数据:

(2)π/4-DQPSK调制

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Link11数据链系统采用多音并行体制,没有信道估计的机制,所以只能采用相对移相的调制方式——差分四进制移相键控(π/4-DQPSK以下简称DQPSK),从而可以解决相位模糊影响相干解调输出的问题。首先在基带生成DQPSK符号对,再搬移到音频。信号可表示为:

式中:Ik、Qk为本次输出的符号对;Ik-1、Qk-1为上一次输出的符号对;θk为输入二元组对应的相位变化。

(3)副载波调制

Link11数据链系统采用了多音并行体制,即用15个音频载波来同时传递信号。一个DQPSK符号对(Ik,Qk)到其对应频率的DQPSK离散音频调制信号的计算:

如果令dk=Ik+j Qk,则s(fcnTs)=Re(dkej2πfcnTs),于是 N个单音的 DQPSK离散音频调制信号可合成:

令N=15,且 fk分别对应通信标准中规定的15个数据副载波单音,那么式(10)就是Link11音频信号(离散)。将n×15的并行DQPSK符号对进行副载波调制后,可以得到n帧音频调制信号的离散序列。

(4)副载波解调

副载波解调完成的是将多音并行信号变换到基带,输出DQPSK符号对。将式(10)的解析式通过数学变换改写如下:

那么携带数据信息的DQPSK符号对dk的解析式可以表示为:

3 仿真模型的建立

根据Link11数据链通信标准,可构建的仿真模型如图4所示。按照条件化划分的思想,可以在a处观察发射信号的波形,在b处考察系统性能,c处为干扰加入点,通过建立系统仿真模型可以对Link11信号频谱、抗干扰性能进行分析。

3.1 仿真条件及假设

(1)仿真中由数据源随机生成15帧战术报文,通过编码调制等一系列过程后,在b处观察输出信号的频谱。因为Link11音频信号是15个单音的叠加,通过功率谱可以比较直观地体现信号的特征。

(2)Link11数据链通信标准对数据终端的误比特有明确规定,仿真中由数据源随机生成7 500帧战术报文,信噪比取0～10 dB,步进1 dB,统计各种信噪比下的误比特率。

(3)c处加入单音干扰,信噪比分别选取10 dB、20 dB、30 dB 时,统计信干比从-5～ 10 dB时的系统性能;加入多音干扰,保持信道中信噪比为20 dB,统计比较1、5、10单音时的系统性能。

图4 Link11物理层仿真模型

3.2 结果分析

(1)图5是仿真发射的数据报文的功率谱,可以区分出谱线由16个单音叠加而成。从幅度上看,除605 Hz单音相对高6 dB左右外,其余单音幅度基本相同,与Link11数据链通信标准规定一致,验证了系统仿真模型的正确性。

图5 数据报文功率谱

(2)图6是Link11数据终端的整体性能曲线(包括信道编译码),可见在10 dB信噪比下,平均误比特率逼近10-3,系统性能完全满足 Link11数据链系统的指标要求,这也证明了算法的正确性。

图6 Link11系统性能

(3)图7为对935 Hz采用单音干扰时,信噪比为10 dB、20 dB、30 dB,数据终端解调误码率随信干比变化情况。与图6比较,加入单音干扰后数据终端解调性能明显下降。图8为多音干扰下的性能曲线,随着干扰频点的增长系统解调性能急剧下降。

图7 单音干扰仿真结果

图8 多音干扰仿真结果

4 小结

从近几次局部战争的情况看,Link11数据链目前仍在美军及其北约盟国广泛应用,部分功能还无法替代,因此对Link11数据链及其抗干扰性能进行研究具有重要的战略意义。通过仿真分析,Link11数据链中数据终端虽有一定检错能力,但总体抗干扰性能不强,特别是针对数据终端实施多音干扰时会造成系统性能的急剧下降,所以对Link11数据链组网工作时的抗干扰性、抗毁性还需进一步研究。

[1]M IL-STD-188-203-1A.Interoperability and Performance Standards for Tactical Digital Information Link(tadil)A[S].

[2]翟利超,吕久明.数据链及其对抗方法研究[J].舰船电子对抗,2004,27(6):26-29.

[3]范小麟,马大玮,李晓飞.Link11误码性能分析[J].中国科技信息,2007(1):101-102.

[4]季健忠.战术数据链的分析与仿真研究[D].西安:西安电子科技大学,2003.

[5]蔡啸,郭伟,周应芳.对美军战术数字信息链路(TADIL)A的侦察与干扰[J].舰船电子工程,2005,25(4):116-119,123.